1、,Chapter 7 金屬在塑性加工中組織與性能 變化的基本規(guī)律 Basic laws of microstructure and mechanical property variation in plastic working,材料成形,形狀/尺寸/表面質(zhì)量 組織性能 工藝因素-組織演變-力學(xué)性能/物理性能/化學(xué)性能 聯(lián)系/規(guī)律,Properties,Processing,Microstructure,7.1 金屬在冷塑性加工中組織與性能變化的規(guī)律Change of microstructures and mechanical properties in cold working,1.纖維組

2、織 多晶金屬冷變形 等軸晶粒沿主變形方向拉長 大變形量晶粒呈纖維狀稱纖維組織,7.1.1 顯微組織的變化,2. Substructure 亞結(jié)構(gòu) deformation 變形dislocation density 位錯密度增加dislocation tangles 位錯纏結(jié) 高位錯密度區(qū)將位錯密度低的區(qū)域隔開 晶粒內(nèi)部出現(xiàn)“小晶粒” ，取向差不大 胞狀亞結(jié)構(gòu) cellular substructure,晶界與亞晶界, dsub subgrain strengthening 亞晶強(qiáng)化 變形達(dá)到一定程度,變化減小。,3. 變形織構(gòu) deformation texture 變形量較大時，各晶粒取向大

3、體趨于一致, “擇優(yōu)取向” preferred orientation 具有擇優(yōu)取向的組織稱為 “變形織構(gòu)” deformation texture,Deformation texture appears in extrusion擠壓/drawing拉拔/forging鍛造/rolling軋制,織構(gòu)- 描述多晶體中晶體取向的特征。 理想情況:變形金屬中的每個晶粒都轉(zhuǎn)到所給出織構(gòu)的晶向和晶面。 實際情況:變形金屬的晶粒取向只是趨向于這種織構(gòu).隨著變形程度的增加, 趨向于這種取向的晶粒越多,這種織構(gòu)越完整。,Generally, deformation texture includes fiber

4、 texture(絲織構(gòu))and plate texture(板織 構(gòu))。 絲織構(gòu) fiber texture 擠壓drawing/拉拔extrusion 軸對稱axisymmetric 特定晶向/最大主變形方向.,絲織構(gòu) fiber texture,板織構(gòu) plate texture 軋制 rolling/寬展很小的矩形件-鐓粗 upsetting 平面變形 plane strain 某一晶向/軋向某一晶面/軋面,method for measuring texture: x 射線衍射x-ray diffraction 極圖pole figures/ 取向分布函數(shù) ODF ( orienta

5、tion distribution function) 無擇優(yōu)取向 random distribution of orientation,Shear Textures: idealized texture components,織構(gòu),背散射電子衍射 超細(xì)晶粒鋼 ultra-fine grained steel,Electron back scatted diffraction ,EBSD,普通碳鋼 low carbon steel,7.1.2. 力學(xué)性能的變化Change of mechanical properties,1. 加工硬化 work hardening 金屬在變形過程中隨著變形程

6、度的增加,強(qiáng)度和硬度明顯增加,塑性迅速下降的現(xiàn)象稱為 。,單晶體 single crystal 加工硬化曲線,曲線斜率=d/d,加工硬化率 Work/strain hardening rate 剪切應(yīng)力 c 塑性變形階段 塑性變形階段的曲線： 易滑移階段 線性硬化階段 拋物線硬化階段,.易滑移階段單系滑移 singular slip 一組滑移系開動, 硬化率很小。,滑移線相互平行,銅的單滑移,.線性硬化階段多系滑移multiple slip system 多系滑移位錯交割/反應(yīng)位錯纏結(jié)胞狀亞結(jié)構(gòu) 必須加大外加切應(yīng)力變形抗力硬化率, Cross-Slip: 交滑移,b,b,b,Primary s

7、lip plane,Cross slip plane,edge,.拋物線硬化階段交滑移cross slip 交滑移位錯繞過障礙硬化率,多晶體polycrystal：多系滑移,無階段,加工硬化率比較高。,h.c.p(如鎂)一組滑移面 單系滑移硬化率 易滑移階段 b.c.c. f.c.c滑移系較多 硬化率,影響因素 (1)晶體結(jié)構(gòu),(2)層錯能 stacking fault energy(SFE) 層錯能高(Al)擴(kuò)展位錯寬度窄交滑移容易階段短/階段出現(xiàn)早 層錯能低(Cu) 與此相反 (3) 晶粒尺寸 grain size d硬化-晶界阻礙變形,(4)變形溫度和變形速率 硬化hardening 軟

8、化 softening 此消彼長 室溫：變形硬化 高溫：溫度硬化,2.各向異性anisotropy 加工方式不同不同織構(gòu) 不同方向上 性能的差異,負(fù)面影響 negative effect 深沖 deep drawing “制耳效應(yīng)”earing,.,(b),裂 紋 crack,正面影響 positive effect,磁性材料magnetic material 例:變壓器用硅鋼片 (110) 001 高斯取向 100易磁化方向 沿軋制方向磁導(dǎo)率 鐵損,控制織構(gòu) 電解電容器鋁箔 電容器容量 鋁箔表面積容量 體積 選擇浸蝕鋁箔表面積 立方織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)均勻整齊 浸蝕深度大, 強(qiáng)化作用 h.c.p.

9、Ti (0001)織構(gòu) 平面應(yīng)力下強(qiáng)度高,可作抗壓容器。,7.1.3 儲存能 stored energy Es 冷變形結(jié)束后，約10%能量以點缺陷、位錯、層錯的形式儲存在金屬的內(nèi)部,稱為儲存能Es。 ,影響因素 factors: (1)材料的內(nèi)在因素 intrinsic factor 熔點 Tm Es 溶質(zhì)原子/d Es 畸變 distortion 第二相/基體性質(zhì)差異大 Es,位錯交割 dislocation intersection,位錯增殖 dislocation multiplication,(2) 工藝條件 processing schedules 加工硬化 Es 變形溫度變形速度變

10、形程度不均勻變形 儲存能thermodynamically unstable,7.1.4 其他性能的變化Changes of other properties,1.金屬密度Density crack 裂紋(b)Time-temperature variation of yield stress during recovery,無孕育期 溫度 回復(fù)速度,7.2.2 Recrystallization 再結(jié)晶,再結(jié)晶溫度recrystallization temperature 0.40.5 Tm (Tm=melting point),位錯密度 dislocation density 強(qiáng)度stre

11、ngth 塑性ductility,金屬再結(jié)晶是通過形核和長大 的方式來完成的 再結(jié)晶形核nucleation 在局部高能區(qū)域優(yōu)先形成.,晶界 grain boundary 變形帶 deformation bands 夾雜物 inclusion 孿晶界 twin boundary 自由表面 free surface,ABC間位相差很小,A和B合并,ABC合并,形成大位相差界面,亞晶聚合subgrain coalescence 伴隨著亞晶長大,高位錯密度晶界遷移，亞晶長大，成為再結(jié)晶的晶核.,變形程度較小時，大角度晶界上有一小段弓出，晶界掃過的區(qū)域儲存能釋放，可以作為再結(jié)晶晶核而長大。 晶界弓出,

12、(a) Sudden growth of a boundary into a high dislocation density grain;(b) Model to describe this “nucleation”event,再結(jié)晶晶核的長大 晶界遷移 boundary migration 驅(qū)動力 driving force 再結(jié)晶晶粒與變形基體之間的應(yīng)變能之差 表面能surface energy 應(yīng)變能strain energy,再結(jié)晶動力學(xué),再結(jié)晶存在孕育期(形核過程) 晶粒接觸后再結(jié)晶速度減慢,直到終了。,鋁在350C時的再結(jié)晶動力學(xué)曲線,Nucleation and Growth,standard incubation/growth law:,研究再結(jié)晶的方法 硬度法 金相法 x射線法 透射電鏡觀察 (transmission electron microscopy， TEM),再結(jié)晶溫度 recrystallization T,退火1小時: 開始出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒的溫度：Ts 再結(jié)晶結(jié)束的溫度：Tf,Discussion,在原始晶界兩邊，一側(cè)亞晶尺寸小，另一側(cè)亞晶尺寸大。若該晶界在再結(jié)晶初期發(fā)生弓出，其弓出方向為何？,何種形核機(jī)制